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1、智能化超声波水流量计硬件设计与制作首先说明了时差法超声波流量计的工作原理、超声波传感器的特性、超声波信号检测及测量控制原理，分析了流量计误差来源和测量精度。简述了超声波流量计的总体设计和特点，并分析了课题的难点问题。接着重点介绍了流量计主机和流量变送器的研制，流量计主机主要有控制显示和键盘工作、系统参数设置存储、计算流量和累计流量、对流速和流量数据进行可靠性检验、控制输入输出功熊帮出错告警功能等，主枧设计的特点主要是采用并行处理器件提高硬件的访问速度、图形点阵LCD显示和多键盘使操作更简便、大容量闪速存储器可以存储参数和数据、高精度实时时钟作为系统时钟及双串口以提高通讯速度。流量变送器的主要功
2、能有传感器驱动、信号检测、自动增益控制、测量传播时间和声路切换等功能，在其研制中为了提高测量精度和可靠性着重解决了以下几个问题：(1)采用高速高可靠性cPLD器件，利用独特的逻辑分析方法使计时精度达到10纳秒以下。(2)在检测控制电路中用cPLD代替分立器件，采用信号过+o2伏作为有效信号，同时增加信号有效性判断，提高测量的可靠性。(3)采用自动增益控制，即信号的峰值电压经AD变为数字信号送给单片机，再通过DA和电压调节电路调节增益控制电压，实现测量信号的自动增益控制。(4)传感器驱动电路采用高耐压、高速度的场效应晶体管，同时增强门极驱动，保证传感器的发射功率。(5)将流量变送器电源进行分离，
3、给单片机和逻辑控制部分单独使用一组电源，并使传感器的发射和接收电路完全隔离，降低电源及发射电路的干扰。实验测量结果表明，经过改进的超声波流量计工作稳定可靠、使用方便，传播时间的测量误差不超过10纳秒。通过对测量误差的分析和测量精度的计算，说明本超声波流量计达到了设计要求。关键词： 超声波流量计 时差法 自动增益控制 信号检测 传播时间一 超声波流量计原理超声波一般是指频率高于20KHz的声波，一般来说，人耳是听不见的。在自然界中，超声波是普遍存在的，而且得到了广泛应用。如超声清洗、超声焊接、超声探伤、超声诊断、超声测距等，这里是利用超声波来测量液位和流速，进而计算出流量。1.1 时差法超声波流
4、量计测量原理超声波在流体中的传播速度与流体流动速度有关，据此可以实现流量测量。这种方法也不会造成压力损失，并且用于大管径、非导电性、抗腐蚀性的液体或气体流量的测量。超声波的发射和接收都要用换能器(传感器)，通常把发射和接收传感器做成完全相同的材质和结构，可以互换使用或进行双向收发。超声波流量计实现的典型方法有时差法和多普勒法，本课题选择时差法来测量。1.1.1 单声路测量原理在管道的两侧或明渠的两边斜向安装两个传感器，使其轴线重合在一条斜线上，如图21所示啪3。当传感器A发射，B接收时，声波基本上顺流传播，速度快，时间短，可写为 （1.1）B发射而A接收时，逆流传播，速度慢，时间长，可写为 （
5、1.2）以上两式中的上为两传感器间的传播距离(单位是m)，C为超声波在静止流体中的传播速度(单位是ms)，V为被测流体的平均流速(单位是ms)。两个方向的传播时fq差t=t1-t2，为 （1.3）因vEout时，D。再次导通，电容C充电到E。这样，电容C两端电压保持为Ein。 图 采样保持电路工作原理图经采样保持后的信号送到AD转换器，AD转换器选用TLCl543芯片，此芯片是CMOS、10位开关电容逐次逼近模数转换器，有11个模拟输入通道，内部固有的采样与保持，在整个温度范围内有较小的转换误差。TLCl543有三个输入端和一个三态输出端，即片选(cs)、输入输出时钟(Io cLocK)、地址
6、输入(A肋REss)和数据输出(DATA OUT)，这样就和微处理器的串行接口有一个直接的4线接口，从而可以实现与微处理器之间进行高速数据传输。经AD转换器得到的信号峰值电压数值通过串行接口送到微处理器保存起来，作为下一次测量时的控制电压参考值。在每次进行测量之前，应先根据上一次AD转换器测得的电压值(第一次可给定一个初始值)来调节第二级放大器增益控制端的电压。这个控制电压是由DA转换器和电压调整电路构成的，增益控制端电压产生电路原理图如下所示。 图 增益控制端电压产生电路原理图DA转换器选用带有缓冲基准输入(高阻抗)的10位电压输出数模转换器(DAC)T,C5615，DAC具有基准电压两倍的
7、输出电压范围，且DAC是单调变化的。器件使用简单，用荜5V电源工作，功耗低，具有上电复位功能以确保可重复启动。器件的更新频率可以达到12Mnz，典型建立时间为125 u s，并且在温度范围内保持单调性。CPU根据上一次AD转换器测得的电压值计算出本次测量时DA转换器应补偿的电压值，通过与TLC5615的串行接口将数据传送给DA转换器，DA转换器将其转换为模拟电压输出。这个电压经过电阻分压后在运算放大器的同相端产生一个电压，再经过运算放大器放大输出，这样就得到了VCA610增益控制端的电压。从而起到调节放大电路增益的目的，实现信号放大的自动增益控制。3.5 电压比较电路电压比较器采用LM319芯
8、片，此芯片是由双电源供电的双比较器。在电路设计中需要对信号进行过零点、过+02V、过-o2V的检测，电压比较电路原理图如下图所示。 图 电压比较电路原理图信号输入端接SINA，分别并联在三个电压比较器的输入端。第一路连接到电压比较器(IC,4A)的反相输入端，电压比较器的同相输入端接一个一02V基准电压，这个基准电压是由-5V电源经过稳压二极管ZD4稳压，稳压二极管的电压可取36v或47V，再经过固定电阻R44和可变电阻R43连接到模拟地后通过分压处理得到的，电压比较器的输出端即为信号过一O2V的输出信号D一02。第二路连接到电压比较器(IC4B)的同相输入端，电压比较器的反相输入端接一个+0
9、2V基准电压，这个基准电压是由+5V电源经过稳压二极管ZD5稳压，稳压二极管的电压可取36V或47V，再经过可变电阻R29和固定电阻R27连接到模拟地后通过分压处理得到的，电压比较器的输出端即为信号过+02v的输出信号D+o2。第三路连接到电压比较器(IC6B)的反相输入端，电压比较器的同相输入端接模拟电源地，则电压比较器的输出端即为信号过零点的输出信号Do。为了提高输出信号的可靠性，使输出信号电压稳定可靠并且输出高电平达到要求，在每一个电压比较器的输出端分别对模拟地接一个陶瓷电容(电容大小可选取470pF)，同时分别接一个电阻到+5V电源(电阻大小可选取470Q)。这三个输出信号都送到逻辑处
10、理部分(CPLD)进行分析处理。3.6 计数器在CPLD内部设计有四个计数器，一个主计数器，两个延时计数器和一个辅助计数器。主计数器的作用是测量传播时间t，主计数器的计数频率为160MHz。计数总长度为24位，其中最低l位是相当于160MHz时钟，即最小计时精度为625ns，最长计时时间约为105毫秒，如果以超声波在水中的传播速度为1450米秒计算，传播距离最大约为150米。当接收到有效信号后，计数器停止计数，计数器高23位当前的状态就是计数频率为80Miz的计数值，此时计数时钟信号的状态也被保持下来，将此电平信号经过逻辑处理得到计数器的最低位。当计数器采用上升沿触发工作时，由于第一个时钟的上
11、升沿到来时80ldHz计数器的值加l，此时计时可能刚刚开始，即计数器最多可能会多计一个数，因此，传播时间应该在上述时间的基础上减去125ns。当接收到有效信号后，CPU应将计数器中的计数值读出。由于传播时间计数器为24位，CPU与CPLD是通过P0口来读数的，一次只能读取8位数据，这样CPU通过cPLD控制每次输出8位，分3次将计数器的值送到CPU。CPU经过计算得到传播时间，然后将传播时间通过串行口送到流量计主机进行处理。3.7 存储器和串行口存储器的功能是存储由主机传来的参数，如声路数、各声路的距离、传感器的频率等。为了接省单片机的接口资源，采用串行存储器，可选用24C6416串行EEPR
12、OM存储器，此芯片只有2根接口线，存储容量最大为8k字节。流量变送器把测量得到的传播时间通过串行口传送到主机，由于一台主机最多可以连接八台流量变送器，流量变送器与主机的距离可能较远，因此，采用RS一485接口，选用MAXl487芯片，此芯片可以通过R0和DI端直接与单片机的串行口RXD和TXD连接，输出端A和B连接到传输线上，在两输出端之间并接一个120欧姆的匹配电阻。MAXl487芯片还有一个RE和DE控制端，用于控制串行口的发送和接收，这两个控制端接到CPLD，最终由CPU控制。3.8 隔离驱动在流量变送器的驱动板上有传感器的驱动电路和切换电路，驱动电路有80到120伏的直流电压，因此将这
13、部分电路与其它控制电路部分分别放在两块电路板上，减小测量电路的电磁干扰，同时对驱动控制信号进行光电隔离。控制隔离和驱动电路原理图如图59所示。光电隔离器件要求具有较快的速度，因为传感器的频率一般在IOOKHz以上，有的高达IMHz，普通光电隔离器件无法达到如此高的速度，在此选用6N137芯片。此芯片属于超高速光电耦合器件，在负载电阻为350的条件下，输入输出的典型传输延迟时间为45ns，输入和输出之间的隔离电压为2500伏，并且要求输入电流驱动也较小。 图 控制隔离和驱动电路原理图传感器驱动电路采用高速、高电压的场效应管(啪sFET)作为输出驱动，选用IRF840。IRF840的门极G驱动采用非对称输出的互补电路，IRF840的门极电压接近一5V至lJ+12V，提高IRF840的关断和开通速度。TRF840的源极s接驱动板的模拟地，同时通过继电器切换电路连接到传感器的一端，传感器的另一端连接到80伏直流电源的地，这个地与驱动板的模拟地不同。
智能化超声波水流量计硬件设计与制作
